光纖棒轉運機械手的自動化設計

張玉修

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110117）

0 引言

1 光纖棒機械手總體裝配

根據現場空間和工件的形狀、質量等條件，設計有Y軸水平移動、Z軸豎直運動和T軸旋轉運行，為了保證±0.2 mm的定位精度，根據各軸的結構特點，Y軸采用齒輪齒條傳動，Z軸采用滾珠絲杠傳動，T軸旋轉采用減速機直連控制。機械手的整體結構如圖1所示。

圖1 光纖棒機械手總體裝配

1.1 Y軸結構設計和電機選型計算

Y軸為齒輪齒條傳動，減速機輸出端選取模數為2、齒數為20的左旋斜齒輪齒條，并將減速機設計為豎直方向位置可調，以便調節正確的齒隙，通過連接導軌滑塊做水平方向的直線運動，負載包括光纖棒工件、Z軸和Y軸機械臂，重量共約300 kg，選擇標準30H四方導軌以及相應滑塊可以滿足負載要求，齒輪效率取0.9，齒輪分度圓直徑為40 mm，根據公式（1），計算齒輪負載折算到減速機側的慣量。

選取減速機的減速比為10，根據公式（2）可得負載減速機折算到電機側的慣量。

選取的電機和減速機的慣量如公式（3）、公式（4）所示。

慣量比如公式（5）所示。

一個國家的制度安排與制度設計，只有深深植根于該國的文化歷史與社會現實中，才能夠具有旺盛的生命力。同樣，一個國家的審計體制也必須與該國的政治體制、歷史文化傳統以及現實社會實踐等相適應。中國特色國家審計制度是國家審計與中國特色社會主義制度相結合的產物，不僅要合乎審計的本質要求，而且要符合中國國情，體現中國特色社會主義政治制度的本質要求。組建中央審計委員會，為黨統一指揮審計工作提供了制度依據和體制保障，是加強黨的全面領導這一政治原則在審計工作的體現，是符合新時代中國特色社會主義政治制度本質要求的審計制度創新。〔本文受到南京審計大學首批政府審計學院中標課題(GASA161001)資助〕

式中：JL→R為折算到減速機側的慣量；mL為負載質量；ηG為齒輪傳動效率；DG為齒輪的直徑 ；JR→M為負載減速機折算到電機側的慣量；R為減速比；ηR為減速機效率；JM為選取電機的慣量；JR為選取減速機的慣量。

1.2 Z軸結構設計和電機選型計算

Z軸是在豎直方向上的運動，由于從燒結車間加工的玻璃棒或者由沉積車間加工的粉棒材料比較脆弱，為了保證棒體不受損傷，機械手在搬運過程中低速度運行，因此采用滾珠絲杠傳動，在豎直方向，滾珠絲杠傳動在發生斷電等特殊狀況時，可以在沒有抱閘的情況下避免出現墜落的危險，該設計選取導程為5 mm，直徑為32 mm的滾珠絲杠。

滾珠絲杠的結構主要包括固定座、支撐座、絲桿以及絲母等，絲桿的動力輸入端與電機輸出軸通過聯軸器進行連接，另外值得注意的一點是由于絲桿的螺紋有一定的深度，因此在連接聯軸器時，要把與聯軸器進行連接的部分的螺紋全部去除，否則會出現連接不牢固的情況。

負載折算到絲桿上的慣量如公式（6）所示。

絲桿本身的慣量，如公式（7）所示。

聯軸器的慣量如公式（8）所示。

選取的電機的慣量和剎車慣量如公式（9）所示。

低速部件的慣量如公式（10）所示。

慣量比如公式（11）所示。

式中：JL→M為負載折算到絲桿上的慣量；mL為負載質量；ηs為絲桿傳動的效率取；JS為絲桿本身的慣量；P為螺距；ms為絲桿質量RS為絲桿半徑；Jc為聯軸器的慣量；mC為聯軸器質量；RC為聯軸器半徑。

1.3 T軸結構設計和電機選型計算

T軸采取減速機直聯的方式，即將減速機輸出軸連接在T軸的機械臂上，實現旋轉功能，機械臂長度為550 mm，抓取工件后，會產生軸向傾覆力矩，對減速機造成損傷，為了避免該情況的發生，在輸出軸增加回轉支撐，承擔了負載對減速機的側傾力矩。

由于機械手定位精度的要求為1 mm，因此要確保T軸旋轉的精度＜1 mm，選擇減速機的定位精度為5′，把角度精度轉換成機械手的移動精度，按公式（12）計算得到機械臂末端的精度。

式中：R為機械臂長度（回轉半徑），R=540 mm；α為定位精度，α=5′。

選用電機的慣量為2.9 kg·cm2，減速比為200，計算慣量如公式（13）～公式（15）所示。

慣量比如公式（16）所示。

式中：JR→M為減速機折算到電機上的慣量；JL為負載的慣量；R為減速機減速比；ηR為減速機的效率；JM為電機的慣量；JR為減速機慣量。

由上述選型計算可知，Y軸、Z軸和T軸的傳動機構已經確定了慣量等重要參數，并滿足結構和動力載荷等要求，Y軸選擇的傳動方式是電機減速機與齒輪齒條傳動，慣量比為3.5；Z軸選擇的是電機直聯滾珠絲杠傳動，慣量比為1；T軸旋轉軸選擇的是電機減速機直聯的方式，慣量比為2.59；上述慣量比均小于慣量比為5的經驗值。

2 電氣部分設計

電氣部分包括PLC編程和電氣原理圖2個部分。

2.1 PLC編程部分

2.1.1 工藝對象配置伺服電機軸

PLC在運動控制中使用了軸的概念，通過將軸的組態（包括硬件接口、位置定義、動態特征以及機械特性等）與相關的指令塊進行組合使用，可實現絕對位置、相對位置、點動、轉速控制和自動尋找參考點的功能。該文通過將PLC的CPU作為控制器的操作方法來實現驅動器S120對伺服電機的運行控制。

該設計通過PROFIdrive通信協議控制器控制電機，PROFIdrive是在PROFIBUS和PROFINET基礎上開發的一種驅動控制協議，它為驅動器產品提供了一致的規范，通過認證后，產品可以方便地接入PROFIBUS和PROFINET網絡。

每個定位軸通過PROFIdrive報文或模擬設定點接口分配一個驅動器，并通過PROFIdrive報文分配一個編碼器[1]。編碼器值與定義位置之間的關系是通過編碼器設置的參數值和歸位操作而建立的。該工藝對象也可以在沒有位置關系的情況下進行運動或者在沒有home狀態的情況下進行相對位置運動。定位軸可以配置為直線軸或旋轉軸，這取決于力學和結構設計。具體的操作方法是在工藝對象中選擇positioning Axis，選擇驅動設備SINAMICS-S120-CU320-2PN，最后進行組態設置，操作示意圖如圖2所示。

圖2 工藝對象配置伺服電機軸示意圖

2.1.2 PLC的軸組態和點動控制流程

FB2000軸控函數塊由廠商提供庫文件調用到程序文件，也可由電氣設計者進行編制，FB2000軸控函數塊是FC軸控函數的基礎程序，包括輸入數據、輸出數據、歸位工藝對象、設定歸位位置、啟用/禁用工藝對象、確認報警、重新啟動工藝對象、暫停軸、停止軸并禁止新的運動作業、絕對定位軸和以點動模式移動軸。

2.1.3 機械手運動控制程序

在FB2000軸控函數塊和工藝對象都完成配置伺服電機軸之后，將FB2000軸控函數塊拖拽到FC函數中，生成軸控制函數，并在DB2000數據塊中選擇軸，數據類型為數組，找到程序塊中相應管腳的對應數據，將DB2000數據塊中的各數據拖拽到相應的管腳上[2]。程序包括以下程序段：1）基于FB2000的軸控制。2）軸上使能。3）軸下使能。4）停止軸。5）軸復位。在FC函數中生成的最終程序應包括以下內容。

2.2 電氣圖紙部分

S120電控系統是新一代的驅動產品，它是集V/F控制、矢量控制以及伺服控制為一體的多軸驅動系統，具有模塊化的設計。各模塊間（包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）通過高速驅動接口DRIVE-CLIQ相互連接。

控制器與驅動器之間通過PROFIdrive協議進行周期性數據交換，控制器發送控制命令，驅動器返回命令執行的狀態及自身的狀態，并形成閉環控制。通過周期性地交換PROFIdrive報文，控制器可以實現啟動、停止驅動器、以設定的速度運行、獲取編碼器位置以及讀取變頻器參數等功能。

西門子S120驅動器的控制單元CU320-2PN使用了工業以太網，可實現現場級的實時通訊，也可將企業級網絡信息集成進來。利用現有的IT標準，PROFINET實現同步運動控制應用，提高了設備的可用性，工業以太網支持分布式自動化和控制器之間的通訊，出現故障后會進行反饋，保障了設備的安全性。

伺服電機的三相U、V、W和地線PE分別與控制器相應的端子連接，電機的編碼器通過網線與控制器的網口X202進行連接[3]。控制單元CU320-2PN通過網線與變頻器網口X200進行連接。電機與控制器接線如圖3所示。

圖3 伺服電機和變頻器接線圖

3 結論

桁架機器人在工業自動化的應用十分廣泛，具有精度高、成本低以及效率高的特點，適合于搬運、機床上下料等各種場合。桁架的自動化設計需要根據不同的工件、不同的負載和環境來做各軸的結構設計，并進行電機的選型計算，電氣控制編程也至關重要，整體考慮才能滿足用戶的實際需求。該文從總體上介紹了桁架機械和電氣設計的方法，并講解了設計過程中重點關鍵過程，對于自動化行業技術的提高與創新具有積極作用。